7 个原子捆成一团“穿墙”：隧穿随质量指数衰减的铁律被压平了

量子隧穿从 1927 年 Hund 基于薛定谔方程提出这个概念算起，快一百年了。它早就不是新鲜事：固体物理、扫描隧道显微镜、恒星核聚变都靠它。但它有一条让人难受的规律——概率随质量指数衰减。

穿透一个矩形势垒的概率大致是：

质量 $m$ 出现在指数里，而且是平方根。后果可以算得很直观：动能为 1 eV 的电子，穿越高度 2 eV、宽度 0.1 nm 的势垒，概率约 0.36；换成质量是电子 1836 倍的质子，同样条件下概率掉到约 10^-19。

这条规律基本堵死了“让大质量物体隧穿”这条路。南方科技大学杨兵团队的做法是绕开它，而不是硬推。

图1：608 原子质量单位处，观测强度比指数衰减预期高约 5 个数量级

让原子“绑在一起”再穿

实验在超冷原子的光学超晶格里做。激光造出成对的双阱单元，原子被冷却到接近绝对零度，形成弱束缚的原子团簇。通过精确调控原子间相互作用，团队实现了七阶高阶隧穿——七个铷原子作为一个整体穿过远高于其动能的势垒。

这个团簇的质量是 608 原子质量单位，约相当于一百万个电子质量。关键结果在图 2：随着团簇质量增加，隧穿强度没有按指数规律崩塌，而是表现出对质量的近似不变性，可以和单个原子的隧穿强度相媲美。

值得强调的是这不只是“更重的物体穿过去了”。七个原子在穿越过程中处于空间叠加态：不是每个原子各自“既左又右”，而是这七个原子构成的复合物体作为一个整体处于“在左阱”和“在右阱”的叠加。这就是薛定谔猫态的规模化版本。

图2：NOON 态的相位灵敏度随粒子数增强，单团簇最高 3.4 dB 量子增强

顺手做了一次精密测量

团队用这个纠缠态搭了一个干涉仪来验证纠缠，并做了量子增强测量。构造的 NOON 态是：

这类态的相位灵敏度随粒子数 $N$ 提升，优于独立原子的标准量子极限。基于费舍尔信息分析，单个团簇实现了最高 3.4(2) dB 的量子增强；再把约 250 个团簇并行起来，他们分辨出了亚微米尺度上约 1.4(1) Hz 的能量差。

真正想回答的问题

做这件事的动机不在精密测量，而在量子力学与引力的交界。要弄清楚宏观叠加态在什么尺度上崩溃，就得造出越来越大的猫态。此前猫态大多停留在单粒子或极少数粒子层面。

罗杰·彭罗斯早就猜测，引力可能就是那个“让猫死掉”的推手——时空几何本身的不确定性会导致叠加态退相干。要检验这类猜想，需要把叠加态的质量往上推很多个数量级。这次的方法原则上可扩展到约 100 个原子；如果能推到含十万个原子的玻色-爱因斯坦凝聚体，就有机会直接探测物质波与引力的相互作用。

已经有评论提醒保持尺度感：608 原子质量单位在这类相干质心隧穿里是巨大的，但和一只真猫相比还差大约十万亿亿倍。叠加的空间分离是几百纳米，相干性依然脆弱。这项工作没有证明宏观物体可以被任意放大地放进叠加态，它改变的是工程问题——从“质量是否必然杀死隧穿”，变成“巧妙设计的相互作用能把集体量子运动维持到多大”。

来源

Zhang, H., Wang, Y.-K., Zheng, Y., Bai, H.-T. & Yang, B. Scalable generation of massive Schrödinger cat states via quantum tunnelling. Nature Physics 22, 1037–1043 (2026)

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